Полярность диодов: мультиметром, по внешнему виды или подачей питания

Diotec. Защита цепей электропитания автомобилей от напряжения обратной полярности

Автомобильные электронные схемы должны быть защищены от входного отрицательного напряжения. Такая ситуация может возникнуть во время обслуживания автомобиля при его запуске, когда аккумуляторная батарея подключена неправильно. Обратная полярность напряжения может вызвать прохождение отрицательного тока через электронные схемы, в этом случае и короткого промежутка времени достаточно, чтобы вызвать необратимое повреждение датчиков, контроллеров и других чувствительных кремниевых компонентов. Помня об этом, разработчики оборудования должны принять соответствующие меры, чтобы сохранить автомобильные электронные блоки управления (ЭБУ) невредимыми в случае возникновения напряжения обратной полярности. В этом документе предложены три различные топологии схем защиты от подачи напряжения обратной полярности.

1. Диод в цепи питания
Самый простой способ заблокировать прохождение отрицательного тока — это установить диод, включенный последовательно с батареей. Пока разность напряжений между анодом и катодом диода положительна и превышает указанное прямое напряжение (рис. 1), диод смещен в прямом направлении, и ток течет в цепь нагрузки. Как только полюса батареи меняются местами (рис. 2), диод смещается в обратном направлении, и прохождение отрицательного тока блокируется.
При выборе диода для защиты от обратной полярности разработчики должны учитывать несколько критериев:
VF: прямое падение напряжения на диоде при прямом смещении. Типичные значения для стандартных выпрямительных диодов находятся в диапазоне 0,7−1,1 В. Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность (VF∙I) во время работы, разработчики могут использовать диод Шоттки, который предлагает VF ниже 0,5 В. Кроме того, низкий VF обеспечит больший запас мощности для защищаемой цепи при холодном запуске, когда напряжение на разъемах питания ЭБУ может упасть до 4 В или ниже.
IFAV: максимальный средний прямой ток диода — это максимальный ток, который диод может выдержать длительное время в состоянии прямого смещения. IFAV должен быть выше, чем максимальный ток нагрузки защищаемой цепи. Из соображений терморегулирования и увеличения срока службы необходимо учитывать достаточный запас прочности.
VDC: Напряжение блокировки постоянного тока — это напряжение, для блокировки которого предназначен диод. VDC будет подаваться от катода диода к аноду во время возникновения напряжения обратной полярности. По этой причине VDC должно быть выше, чем максимальное напряжение батареи, ожидаемое при обратной полярности.
Корпус диода: современные автомобильные блоки управления стремятся производить с компонентами для поверхностного монтажа (SMD), насколько это возможно. Diotec предлагает широкий спектр стандартных диодов и диодов Шоттки в корпусах SMD. При выборе корпуса конструкторы должны учитывать размер платы и тепловые характеристики корпуса. Параметры RthA (тепловое сопротивление перехода кристалл-окружающая среда) и RthT (тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус компонента) в техническом описании (datasheets) помогут рассчитать повышение температуры диода на основе прямого падения напряжения и тока нагрузки.
Tj: температура кристалла компонента. Сумма постоянно изменяющихся температуры окружающей среды и температуры, возникающей при рассеивании энергии на диоде, всегда должна быть ниже Tj. Приведенная ниже формула помогает рассчитать ожидаемое значение Tj для заданной температуры окружающей среды TA. Качественное соединение корпуса диода с металлической поверхностью (радиатором) повысит эффективность отвода тепловой энергии от корпуса диода.

Защита автомобильной электроники от обратной полярности

Защита автомобильной электроники от обратной полярности

12.05.2021476

Автомобильные  электронные  схемы  должны  быть  защищены  от  отрицательного напряжения на входных клеммах. Это может происходить во время обслуживания или при запуске автомобиля, когда кабели аккумуляторной батареи подключены неправильно.  Обратная  полярность  напряжения  может  вызвать  прохождение отрицательного тока через электронные схемы, и короткого промежутка времени в этом состоянии достаточно, чтобы вызвать необратимое повреждение датчиков, контроллеров и других чувствительных кремниевых компонентов.

Помня об этом, разработчики  оборудования  должны  принять  соответствующие  меры,  чтобы сохранить  автомобильные  электронные  блоки  управления  (ЭБУ)  невредимыми в  случае  возникновения  обратной  полярности.  В  этом  документе  описаны  три различные топологии схем защиты от обратной полярности.  

1. Диод в цепи питания

Самый простой способ заблокировать прохождение отрицательного тока — это установить диод, включенный последовательно с батареей. Пока разность напряжений между анодом и катодом диода положительна и превышает указанное прямое напряжение (рис. 1), диод смещен в прямом направлении, и ток течет в цепь нагрузки. Как только полюса батареи меняются местами (рис. 2), диод смещается в обратном направлении, и прохождение отрицательного тока блокируется. При выборе диода для защиты от обратной полярности разработчики должны учитывать несколько критериев:

• V_F: прямое падение напряжения на диоде при прямом смещении. Типичные значения для стандартных выпрямительных диодов находятся в диапазоне 0,7–1,1 В. Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность (V_F∙I) во время работы, разработчики могут использовать диод Шоттки, который предлагает V_F ниже 0,5 В. Кроме того, низкий V_F обеспечит больший запас мощности для нисходящей цепи при холодном запуске, когда напряжение на разъемах питания ЭБУ может упасть до 4 В или ниже.
• I_FAV: максимально допустимое среднее значение выпрямленного тока — это максимальный ток, для проведения которого предназначен диод в состоянии прямого смещения. I_FAV должен быть выше, чем максимальный ток нагрузки нижерасположенной цепи. Из соображений терморегулирования и увеличения срока службы необходимо учитывать достаточный запас прочности.
• V_DC: Напряжение блокировки постоянного тока — это напряжение, для блокировки которого предназначен диод. V_DC будет подаваться от катода диода к аноду во время возникновения обратной полярности. По этой причине VDC должно быть выше, чем максимальное напряжение батареи, ожидаемое при обратной полярности.
• Корпус: большинство автомобильных блоков управления производится с компонентами поверхностного монтажа (SMD). Diotec предлагает широкий спектр стандартных выпрямителей и выпрямителей Шоттки в корпусах SMD. При выборе корпуса конструкторы должны учитывать размер платы и тепловые характеристики корпуса. Параметры R_thA/R_thT (тепловое сопротивление переход-окружающая среда / переход-клемма) в Datasheet помогут рассчитать повышение температуры в диоде на основе прямого напряжения и тока нагрузки.
• T_j: общая температура устройства, вызванная колебаниями температуры окружающей среды и мощностью рассеивания, всегда должна быть ниже T_j. Приведенная ниже формула помогает рассчитать ожидаемое значение T_j для заданной температуры окружающей среды T_A. Эффективное тепловое подключение диода к металлической поверхности облегчит охлаждение диода.

T_j = T_A  +  V_F  x  I_Load  x  R_thA    (*)

Рисунок 1Рисунок 2

Плюсы:

• Экономическая эффективность
• Быстро и легко проектировать
• Широкий спектр типов

Минусы:

• Потеря мощности

2. P-FET в цепи питания

Для приложений, требующих больших токов или очень высокого КПД, разработчики могут уменьшить падение напряжения в цепи питания, используя P-MOSFET с низким RDSON. Подключение Истока транзистора к положительной клемме батареи и Затвора к земле обеспечит достаточно отрицательный VGS по сравнению с VS, таким образом сохраняя MOSFET во включенном состоянии (рис. 3). Канал P-FET шунтирует паразитный диод, проводя весь ток. При изменении напряжения батареи на противоположное VGS будет выше, чем VS, что приведет к отключению P-FET. Паразитный диод имеет обратное смещение и блокируется (рис. 4). Таким образом предотвращается протекание отрицательного тока.

Рисунок 3Рисунок 4

Для защиты схемы от обратной полярности с помощью P-FET разработчики должны учитывать следующие параметры:

• R_DS(on): Drain-Source On-Resistance — это сопротивление FET во включенном состоянии. Чтобы минимизировать падение напряжения на FET и уменьшить потери мощности во время проводимости, разработчикам нужны компоненты с низким R_DS(on): поскольку R_DS(on) зависит от площади кремниевого кристалла, должны быть сопоставлены размеры и стоимость FET.
• V_DSS: Напряжение Сток-Исток — это значение, которое устройство должно выдерживать при подаче напряжения между стоком и источником. Его абсолютное значение в Datasheet FET должно быть больше, чем максимальное ожидаемое напряжение при условии обратной полярности.
• I_D: Ток Стока должен быть больше максимального тока нагрузки. Зная значение тока нагрузки, разработчики могут рассчитать потери проводимости FET, используя формулу:

P_{(Loss, cond)} = R_DS(on) x I_Load²

Плюсы:

• Высокая эффективность

Минусы:

• Стоимость
• Небольшой ассортимент товаров

3. N-FET в цепи заземления

Более широкий выбор N-канальных MOSFET по более низкой цене, чем сопоставимые FETы с P-каналом. По этим причинам проектировщики могут выбрать это решение. Из-за внутренней структуры N-FET для включения требуется напряжение Затвора VG выше, чем VDS. При размещении FET на линии заземления Cток должен быть подключен к отрицательному, а затвор — к положительному выводу батареи, обеспечивая протекание тока через нагрузку (рис. 5). Как только VDS протягивается через VG в условиях обратной полярности, FET выключится, размыкая цепь (рис. 6). Главный недостаток в этой конфигурации — дополнительное сопротивление в GND цепи, добавленный R_DS(on) N-FETа, который будет изменять значение GND для всех других компонентов схемы. Те же критерии выбора, что и для P-FET, применяются в случае N-FET.

Рисунок 5Рисунок 6

Плюсы:

• Высокая эффективность
• Широкий спектр типов

Минусы:

• Повышенный GND
• Стоимость

Поделиться:

Похожие статьи

03. 08.2021308

Новости Diotec

NEW: Diotec Selection Guides — Диоды & Выпрямители и Транзисторы & Регуляторы
Высоковольтные диоды для умных счетчиков, уличных LED фонарей и 4G/5G базовых…
Читать подробнее…

09.07.2021428

Беспроводные электроинструменты

Креативность и навыки человека являются основными составляющими любого продукта и могут быть усилены только с помощью правильных инструментов. Беспроводные…
Читать подробнее…

19.05.2021539

Моделирование устройства: На шаг ближе к реальной жизни.

Моделирование устройства: На шаг ближе к реальной жизни. Модели Spice обладают дополнительными тепловыми характеристиками
LDI812C-3.3SFA: Сверхнизкое…
Читать подробнее…

Подписаться на рассылку

Last Name

Mod JT Popup

Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с условиями пользовательского соглашения

AN013 — Защита от обратной полярности

AN013 — Защита от обратной полярности

Основной индекс
Приложение. Примечания Алфавитный указатель

Обзор защиты от обратной полярности

Большинство электронных схем будут серьезно раздражены, если источник питания подключен с обратной полярностью. Об этом часто свидетельствует немедленная потеря «волшебного дыма», на который полагаются все электронные компоненты. А если серьезно, то часто возникает непоправимый ущерб, особенно при напряжении питания 5 В и выше. Традиционная схема защиты от обратной полярности состоит из диода, включенного последовательно с входящим питанием или параллельно с предохранителем или другим защитным устройством, которое может перегореть.

Последовательный диод снижает напряжение, доступное для питаемой цепи. Если он работает от батарей, снижение напряжения может легко означать, что значительная часть емкости батареи недоступна для схемы. 0,7 В — это немного, но это реальная проблема, если схема рассчитана на напряжение не менее 5 В, а 4 элемента по 1,5 В обеспечивают только номинальные 6 В. Последовательный диод также может рассеивать много ватт в цепи, которая потребляет большой ток — постоянно или периодически.

Параллельный диод должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать полный ток короткого замыкания от источника до срабатывания предохранителя. Обычно это означает очень большой и дорогой диод. Меньший можно использовать, но в «жертвенном» режиме. Это означает, что он, скорее всего, выйдет из строя (отказ диода всегда является коротким замыканием), но он должен быть достаточно прочным, чтобы гарантировать, что он не станет разомкнутой цепью в течение периода неисправности из-за соединения или предохранителя провода.

Также можно использовать реле

А, преимущество которого заключается в практически нулевом падении напряжения на контактах. Однако катушки реле потребляют значительный ток, который может легко превысить ток, потребляемый защищаемой цепью. Если источник питания представляет собой большую батарею с возможностью зарядки по требованию, это не проблема, за исключением небольших затрат на эксплуатацию реле. Однако во многих случаях это нежизнеспособный вариант.

Альтернативой является использование МОП-транзистора. Во многих случаях речь идет только о полевом МОП-транзисторе, и никаких других деталей не требуется. Это работает, если напряжение питания ниже максимального напряжения затвор-исток, но необходимы дополнительные детали с напряжением более 12 В или около того. Преимущество полевого МОП-транзистора состоит в том, что падение напряжения исчезающе мало, если выбрано правильное устройство.

Часто также можно использовать BJT (биполярный транзистор) для защиты от обратной полярности, но они не работают так же хорошо, как MOSFET, и имеют несколько присущих недостатков, которые делают их гораздо менее подходящими. Для начала на базу нужно подать ток, чтобы транзистор включился, а это зря потраченная мощность. BJT не может включаться так же сильно, как MOSFET, поэтому падение напряжения на транзисторе больше. Хотя он обычно лучше диода (даже Шоттки), реального преимущества нет, потому что МОП-транзистор — гораздо лучший вариант.

На следующих рисунках есть раздел, просто помеченный как «Электроника». На нем показаны электролитический конденсатор и операционный усилитель, но это может быть что угодно, от простой звуковой схемы, логических элементов (и т. д.) до микропроцессора. Потребляемый ток может составлять от нескольких миллиампер до многих ампер, и вам нужно выбрать схему, которая лучше всего подходит для вашего приложения. Это , а не руководство по дизайну, а скорее набор идей, которые можно расширять и адаптировать по мере необходимости.

Защита диода
Последовательный диод

A является самой простой и дешевой формой защиты. В низковольтных цепях диод Шоттки означает, что падение напряжения снижается с типичных 0,7 В до примерно 200 мВ. Однако это очень сильно зависит от тока, и при максимальном номинальном токе падение напряжения может превышать 1 В для стандартного кремниевого диода или около 500 мВ для диода Шоттки. Нужен только диод — никаких других деталей не нужно, так что он самый простой и дешевый.

Рис. 1. Защита диодов, последовательная (слева), параллельная (справа)

Несмотря на то, что последовательный диод чрезвычайно прост в реализации, как отмечалось выше, потери напряжения составляют минимум 650 мВ или около того при низком токе, увеличиваясь при более высоком токе нагрузки. С диодом 1 А потеря напряжения будет близка к 900 мВ при 1 А, что почти на вольт ниже напряжения питания. Если схема питается от батарей, это представляет собой серьезную потерю мощности, поскольку около 900 мВт доступной мощности тратится впустую без уважительной причины. Если у вас много резервной мощности или при высоком напряжении (25 В и более), потери на диоде незначительны.

Диод Шоттки лучше, но он обычно дороже и не подходит для высоких напряжений. Для диода Шоттки на 1 А вы можете ожидать потери около 400 мВ при 1 А. Диоды Шоттки имеют прямое напряжение в диапазоне от 150 мВ до 450 мВ, в зависимости от производственного процесса, допустимого тока и фактического тока. Максимальное обратное напряжение составляет около 50 В, но обратная утечка выше, чем у стандартных кремниевых диодов. Это может вызвать проблемы с чувствительными устройствами, но обычно это не так. В скобках указано (более или менее) типичное напряжение с диодом Шоттки. Последовательному диоду может «помочь» параллельный диод на стороне оборудования, если утечка диода может вызвать проблемы. Это редко требуется или используется на практике.

С параллельным диодом (иногда называемым защитой «лома») он должен быть рассчитан на более высокий ток, чем может обеспечить источник. Если источником напряжения являются батареи (любая химия), они могут выдавать чрезвычайно большой ток, поэтому необходимы какие-то средства для отключения цепи — желательно до того, как диод перегреется и выйдет из строя. Хотя диоды выходят из строя из-за короткого замыкания в 99% случаев, это не то, на что стоит полагаться для защиты дорогой электроники. Некоторые блоки питания могут возражать против короткого замыкания на выходе и могут ограничивать ток или выходить из строя.

Предохранитель

— это самый простой и дешевый способ отключить источник питания, если он подключен наоборот, и предохранитель должен быть рассчитан на максимальный ток, ожидаемый схемой. В этой схеме нет потери напряжения на диоде, но там есть небольшая потеря напряжения на предохранителе. Это падение напряжения обычно незначительно. Естественно, если питание подключить наоборот, предохранитель сгорит (должен) и диод может выжить, а может и не выжить. Это означает, что система должна быть проверена и отремонтирована, если это необходимо, в случае изменения направления питания в любое время, включая замену предохранителей и/или диодов. Возможно, вы сможете использовать термисторный переключатель PolySwitch PTC (с положительным температурным коэффициентом) — это зависит от многих факторов, которые необходимо изучить в первую очередь.

Релейная защита

Хотя на первый взгляд это может показаться глупой идеей, реле — отличный способ обеспечить защиту от обратной полярности. Это при условии, что источник напряжения может питать реле без снижения его мощности. В оборудовании с батарейным питанием это обычно не вариант, но может быть полезен для оборудования в легковых или грузовых автомобилях, где аккумулятор имеет большую емкость и постоянно заряжается при работающем двигателе. Реле не следует использовать для какого-либо оборудования, которое постоянно подключено, так как в конечном итоге это приведет к разрядке аккумулятора.

Как вы можете видеть ниже, катушка реле может получать ток только при правильной полярности. При положительном сигнале на (положительном) входе D1 смещен в прямом направлении, и катушка получает около 11,3 В, что более чем достаточно для ее включения. Когда Н.О. (нормально разомкнутые) контакты замыкаются, на электронику подается питание. При обратной полярности ток в катушке не течет, и электроника полностью изолирована от источника питания, поскольку реле не может активироваться.

Рис. 2. Релейная защита

Преимущество реле в том, что оно может выдерживать очень большой ток практически без падения напряжения на контактах. Реле прочны и могут прослужить много-много лет без какого-либо вмешательства. Им не нужен радиатор (независимо от потребляемого тока), и они легко доступны в бесчисленных конфигурациях и практически для любых известных требований. Автомобильные реле также уже прошли все необходимые обязательные испытания, что может снизить стоимость испытаний на соответствие там, где это требуется.

Прочность, присущая реле, является огромным преимуществом в автомобильных приложениях, где обычны события «нагрузка-сброс». Это происходит, когда большая нагрузка отключается от электрической системы, и генератор не может достаточно быстро скорректировать напряжение, чтобы предотвратить перенапряжение. Есть и другие причины, и все автомобильное оборудование должно быть рассчитано на то, чтобы безотказно выдерживать значительные перенапряжения. Реле может легко справиться с этим.

Реле

доступны с различными напряжениями катушки (например, 5, 12, 24, 36, 48 В), и есть модели для любых мыслимых требований к контактному току. Если входное напряжение слишком велико для катушки, можно использовать резистор для снижения напряжения до безопасного значения. Также может быть включена схема «эффективности» (последовательный резистор с параллельным электролитическим конденсатором), которая подает на реле импульсы с более высоким, чем обычно, напряжением, чтобы втянуть его, а затем уменьшает ток по мере зарядки крышки до значения, немного превышающего значение. гарантированный ток удержания (определяется резистором). Ток удержания может составлять всего 1/3 от номинального тока катушки, иногда меньше.

Защита МОП-транзистора
МОП-транзисторы

обладают очень желательной функцией. Все они имеют обратный диод, который определяет полярность напряжения, но когда MOSFET включен, он проводит одинаково в любом направлении. Таким образом, когда диод смещен в прямом направлении и МОП-транзистор включен, напряжение на МОП-транзисторе определяется R DS на (сопротивление сток-исток «включено») и током, а , а не , прямым напряжением диод. Это полезное свойство сделало МОП-транзисторы предпочтительным устройством для схем защиты от обратной полярности.

Однако вы должны учитывать тот факт, что МОП-транзисторам требуется некоторое напряжение между затвором и истоком для проведения, а в цепи с очень низким напряжением (менее 5 В) у вас может не хватить напряжения для включения МОП-транзистора. МОП-транзисторы логического уровня могут включаться при более низком напряжении, чем стандартные типы, но также более ограничены с точки зрения R DS на , и меньше устройств легко доступно, особенно типы P-Channel.

На рисунке показаны резистор и стабилитрон. Они обеспечивают защиту затвора для затвора MOSFET, если есть любой шанс превышения максимального напряжения затвор-исток. Хотя их можно опустить, делать это, как правило, неразумно. Если переходный выброс превышает напряжение пробоя затвора (обычно около ± 20 В), полевой МОП-транзистор будет поврежден и почти наверняка будет проводить ток в обоих направлениях. Это полностью отключает схему защиты !

Для оборудования, питающегося от батарей, маловероятно, что произойдет «разрушительное событие», но затвор MOSFET все же может быть поврежден при некоторых обстоятельствах. Маловероятно, но высокое обратное напряжение (например, статическое) может вызвать пробой, если не использовать защиту. Некоторые полевые МОП-транзисторы имеют встроенный стабилитрон затвора, и в этом случае резистор необходим для предотвращения разрушительного тока при напряжениях, превышающих напряжение стабилитрона.

Рис. 3. Защита МОП-транзистора — N-канал (слева), P-канал (справа)

Вы можете использовать устройства N-Channel или P-Channel, в зависимости от полярности цепи и от того, можете ли вы прервать соединение «земля/земля», не вызывая неправильного поведения цепи. В автомобильной среде шасси является отрицательным источником питания, и его трудно или невозможно прервать. Это означает, что схема защиты должна располагаться на положительной шине питания, что несколько менее удобно, поскольку обычно требует P-канального полевого МОП-транзистора. Обычно они имеют меньшую мощность и ток, чем их N-канальные аналоги. Вы по-прежнему можете использовать N-канальное устройство, но это более утомительно и требует дополнительных схем (показано ниже).

Если вы используете МОП-транзистор с каналом P, соединение «земля/земля» (минус) не прерывается. Это полезно, в частности, для автомобильной электроники. Однако есть некоторые ограничения, о которых вы должны знать. Наиболее важным (и наиболее вероятным источником проблем) является требуемое напряжение затвор-исток. Это не проблема для автомобильных приложений, поскольку доступно 12 В, но это проблема более низких напряжений.

Logic level (5V) P-Channel MOSFET, безусловно, доступны, но, как уже отмечалось, они очень ограничены по сравнению с N-Channel типами. Они также обычно дороже для эквивалентных номинальных токов, и многие из них доступны только в корпусах для поверхностного монтажа (SMD). Это ограничивает их полезность в цепях низкого напряжения и сильного тока, где невозможно или нецелесообразно прерывать отрицательную шину (что позволяет использовать устройства N-Channel).

Если в противном случае напряжение слишком низкое для включения МОП-транзистора, можно использовать схему подкачки заряда для смещения N-канального устройства. Это увеличивает сложность и стоимость, но является жизнеспособным вариантом, когда другие методы по какой-либо причине не подходят. Зарядный насос используется для создания напряжения, превышающего входное напряжение (обычно примерно на 10-12 В или около того), и это напряжение включает полевой МОП-транзистор. Общая идея показана ниже, но детали зарядового насоса не приводятся — это скорее «концептуальная» схема, чем законченное решение. Показанные защитные диоды могут быть необходимы или не нужны, в зависимости от схемы.

Рис. 4. N-канальный МОП-транзистор с подкачивающим насосом

Существует множество различных вариантов конструкции нагнетательного насоса, и эта схема выходит за рамки этой статьи. Однако он должен быть устроен так, чтобы сам зарядовый насос не мог подвергаться обратной полярности. Когда подается питание правильной полярности, собственный диод в Q1 проводит ток и обеспечивает питание зарядового насоса и остальной части схемы. В течение нескольких миллисекунд генератор заряда вырабатывает достаточное напряжение, чтобы открыть Q1, а MOSFET включается и шунтирует собственный диод. Потеря напряжения определяется исключительно сопротивлением MOSFET во включенном состоянии и током, потребляемым схемой. Инкапсулированный преобразователь постоянного тока (с плавающим выходом) может при желании заменить зарядный насос.

Биполярный транзистор

Использование BJT подходит для слаботочных нагрузок, но там, где напряжение может быть слишком низким для MOSFET из-за недостаточного напряжения затвора для его правильного включения. В приведенных ниже примерах падение напряжения на транзисторе составляет около 125–150 мВ при токе нагрузки 40 мА. Падение напряжения намного меньше при более низких токах. R1 должен быть выбран так, чтобы обеспечить достаточный базовый ток для насыщения транзистора. Обычно это означает, что вам необходимо обеспечить как минимум в три-пять раз больший базовый ток, чем вы могли бы рассчитать из бета-версии транзистора.

Например, транзистор с коэффициентом усиления (Beta или h FE ) 100 требует 400 мкА для тока нагрузки 40 мА, но вы должны подавать не менее 5 мА, иначе падение напряжения на транзисторе будет чрезмерным. На чертеже предполагается, что транзистор имеет коэффициент усиления не менее 65 (из таблицы данных), а резистор 2,2 кОм обеспечивает базовый ток около 2 мА — это удерживает потери ниже 50 мВ при 40 мА. Нереально ожидать большего, чем это, без чрезмерного тока базы. Транзистор будет рассеивать менее 10 мВт с показанными схемами. Вы можете использовать малосигнальный транзистор (например, BC549).или BC559) для слаботочных нагрузок.

Рис. 5. Транзистор PNP (слева), NPN (справа)

Существует неотъемлемое ограничение использования биполярных транзисторов, а именно обратное напряжение пробоя между эмиттером и базой. В большинстве случаев напряжение пробоя составляет около 5 В, хотя в некоторых случаях оно может быть больше. Это означает, что иметь входное напряжение более 5 В, вероятно, неразумно, потому что переход эмиттер-база будет смещен в обратном направлении. Это приводит к ухудшению характеристик транзистора и может пройти какой-то обратное напряжение на электронику. Полная поломка может передать полное обратное напряжение на электронику, что приведет к выходу из строя. Эта проблема, по-видимому, не была обнаружена в большинстве схем, которые я видел.

Транзистор NPN предположительно лучше, потому что он обычно имеет более высокий коэффициент усиления и, следовательно, меньшие потери из-за более высокого сопротивления, используемого для питания базы. На практике разница будет в лучшем случае незначительной. Как и N-канальный МОП-транзистор, транзисторы NPN должны использоваться в отрицательном выводе и требуют, чтобы отрицательный вход и шасси могли быть изолированы. Применяется та же проблема обратного пробоя перехода эмиттер-база.

Заключение

Как всегда в электронике, каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Вам необходимо выбрать вариант, наиболее подходящий для вашего приложения, исходя из требуемого тока, доступного напряжения и допустимого падения напряжения. В коммерческих продуктах стоимость может быть решающим фактором, часто за счет лучшей производительности.

В некоторых случаях продукту может потребоваться выживание при воздействии высокой энергии импульса в рамках процесса испытаний и/или утверждения. Этого может быть трудно достичь с помощью некоторых обязательных испытаний импульсов высокой энергии, используемых различными агентствами по всему миру, и это также то, что всегда следует учитывать в автомобильных приложениях, где пики «нагрузки-сброса» могут вызывать скачки высокого напряжения во всем транспортном средстве. электрическая система. Следовательно, информация здесь будет не более чем отправной точкой для некоторых приложений. Тщательное тестирование необходимо для любого продукта, предназначенного для агрессивной среды.

Вы также должны учитывать вероятность (или отсутствие) подачи обратного напряжения. Во многих случаях это может произойти только тогда, когда продукт собран, и если это сделано таким образом, чтобы исключить все ошибки, обратной полярности никогда не произойдет. Большинство продуктов не имеют внутренней защиты от полярности, если они питаются от сети. Это связано с тем, что после сборки оборудования нет возможности изменить полярность, за исключением случаев, когда кто-то неопытный пытается его обслужить. Немногие продукты (если они вообще есть) допускают ошибки, допущенные во время обслуживания.

Если ваша схема может справиться с падением напряжения на диоде и потребляет малый ток, возможно, вам понадобится простой блокировочный диод (стандартный или Шоттки). Не думайте, что, поскольку схема MOSFET имеет наилучшие характеристики, она автоматически является лучшим выбором. Эта производительность связана с увеличением стоимости и имеет свои особые ограничения. Качественный инжиниринг должен минимизировать стоимость и сложность, а также обеспечивать подход, наилучшим образом отвечающий требованиям вашего проекта.

Наконец, никогда не стоит недооценивать использование реле. Это один из старейших известных «электронных» компонентов (на самом деле они электромеханические, но это не относится к делу). миллионы тому подтверждение. Недостатком является их ток катушки, но это часто имеет второстепенное значение.

Каталожные номера

1. Самый низкий прямой перепад напряжения среди настоящих диодов Шоттки всегда лучший выбор — IXYS
2. Цепи защиты от обратного тока/батареи — Texas Instruments
3. Автомобильные МОП-транзисторы:
   Защита от обратного тока батареи — Infineon
4. Защита от обратного тока — Рекомендации по применению — Maxim

Основной индекс
Приложение. Примечания Индекс

Страница создана и защищена авторскими правами © Rod Elliott, 09 января 2017 г.

Диод для защиты от обратной полярности – Royal Circuits Solutions

Что такое обратная полярность и как ее защищает диод?

Обратная полярность:

Источники питания постоянного тока предназначены для создания разности потенциалов между двумя или более клеммами. Один выход обычно называют «положительным», а другой — «отрицательным» или «землей». Положительный выход источника питания должен быть подключен к положительному входу схемы, а отрицательный выход источника питания должен быть подключен к отрицательному входу цепи. Однако иногда экспериментаторы допускают ошибки.

Конденсатор, показанный слева, правильно подключен к батарее, а конденсатор справа подключен с обратной полярностью. Иногда в такой конфигурации конденсаторы катастрофически выходят из строя.

Обратная полярность означает, что положительный и отрицательный выходы источника питания были подключены к неправильным клеммам на печатной плате. Эта ошибка может привести к катастрофическому отказу компонентов в виде дымящихся деталей, взрыва конденсаторов, а иногда и электрического возгорания. К счастью, вы можете устранить этот риск, добавив недорогой Диод Шоттки последовательно в вашу конструкцию, где питание поступает на плату. Этот диод должен быть размещен в вашей схеме и на вашей печатной плате сразу после разъема питания.

На этой схеме показан диод Шоттки (D1), размещенный на схеме между входом DC Barrel Jack (J1) и регулятором напряжения (U1). Этот диод предотвращает повреждение в случае подключения экспериментатором обратной полярности.

Несколько моментов, о которых следует помнить при выборе диода для использования в вашей схеме:

• Выберите диод Шоттки, если можете. Диоды Шоттки имеют меньшее падение напряжения и, как правило, лучше подходят для низковольтных цепей с низким потреблением тока — тех схем, к которым тяготеют производители.

• Выберите диод, который соответствует требованиям к напряжению и току вашей цепи.

• Выберите компонент для поверхностного монтажа, чтобы снизить стоимость сборки.

Используйте своего любимого дистрибьютора для поиска «Диод Шоттки» или «Диодный выпрямитель», а затем выберите диод, который соответствует или превышает требования по напряжению и току вашей цепи.

На этом снимке экрана от крупного дистрибьютора показаны лишь некоторые из вариантов, доступных для вашего проекта.

Если у вас возникли проблемы с поиском диода, который соответствует вашим потребностям, удалите термин «Шоттки» из поиска — вы найдете больше деталей, но потеряете до 0,7 В на диоде.

Например, если ваш источник питания обеспечивает 12 В при токе 0,7 А, вы можете выбрать диод с обратным напряжением пробоя 15 В и прямым током 1 А. Вы выбираете напряжение на основе максимального напряжения вашего источника питания и выбираете номинальный ток в зависимости от потребностей вашей схемы. Если вы превысите номинальный ток или напряжение вашего диода, вы повредите его.[1] [2]

Большинство современных схем производителей включают Arduino, Raspberry Pi, BeagleBones и подобные устройства. Большинство этих устройств работают в диапазоне от 3,3 В до 5 В, требуя менее 100 мА тока. Для этой цели 30 В @ 200 мА Шоттки должно быть более чем достаточно — и менее чем за пятак часть для обеспечения электрической безопасности вашей платы, трудно возражать против включения его в вашу конструкцию.